沒有GPS的仿螞蟻機器人靠“光學羅盤”自行導航

沒有GPS的仿螞蟻機器人靠“光學羅盤”自行導航

Credit: Julien Dupeyroux, ISM (CNRS/AMU)

沙漠螞蟻是非凡的孤獨領航員。CNRS和艾克斯-馬賽大學運動科學研究所( ISM )的研究人員在設計螞蟻機器人時受到了螞蟻的啟發，螞蟻機器人是第一個可以隨意探索環境、無需GPS或地圖自動導航回家的步行機器人。這項發表在《科學機器人學》上的工作為自主車輛和機器人導航開辟了新的策略。

研究人員指出，沙漠螞蟻非凡的導航天賦依賴兩條信息：使用一種“天體指南針”借助太陽的偏振光來測量航向，從而給自身定位；通過簡單計算行走的步數并結合它們相對于太陽的運動率測量行走的距離。一旦距離和航向這兩個基本信息相組合，它們就可以順利班師回巢。

人類的眼睛對偏振光和紫外線不敏感，但螞蟻卻不是這樣，螞蟻的復眼包含獨特的光感受器，可以捕獲來自太陽的紫外線，這些紫外線會被散射的空氣分子極化。然而，這種紫外線模式隨著太陽在天空中移動而改變。通過跟蹤這些移動模式，螞蟻基本上有一個內部的天體指南針，可以讓他們確定他們面對的方向。它們用偏振光在太空中定位。特別是沙漠中的Cataglyphis螞蟻可以在陽光直射下在沙漠中行走數百米尋找食物，然后直線返回巢穴而不會迷路。它們在白天最活躍的時候，熱量會使信息素的蹤跡蒸發。他們非凡的導航天賦依賴于使用天空的偏振光來定位自己，通過計算步數來測量所覆蓋的距離，并結合他們眼睛所測得的相對于太陽的移動速度。距離和航向是兩個組合的信息，它們可以直接返回到巢中。

由法國國家研究中心(CNRS)和法國馬賽大學(Aix-Marseille University，簡稱AMU) ISM研究人員共同設計的新機器人AntBot模仿了沙漠螞蟻非凡的導航能力。它配有一個光學羅盤，通過偏振光來確定其航向，以及一個指向太陽的光學運動傳感器來測量所覆蓋的距離。有了這些信息，AntBot可以探索它的環境，在完成了14米的總距離后，以高達1厘米的精度回到它自己的基地。這個機器人只有2.3公斤重，有6英尺的移動空間，可以在復雜的環境中移動。在這些環境中，部署輪式機器人和無人機可能非常復雜，包括災區和崎嶇的地形。

科學家開發的光學羅盤對天空的偏振紫外線輻射很敏感。在晴朗或多云的天氣中，AntBot使用這個“天文羅盤”，以0.4度的精度測量它的航向。用這些最小的傳感器實現的導航精度證明了生物啟發機器人具有巨大的創新能力。

實際應用前景

　　可在崎嶇地形作業，對無人駕駛技術提供補充

　　擁有六只腳的“機器螞蟻”運動靈活性高，可在輪式機器人和無人機無法工作的復雜環境中作業，如災區、崎嶇的地形、外星土壤等。

　　研究人員說，在城市環境中，利用GPS定位的自動駕駛技術可能因磁場干擾而產生誤差，“機器螞蟻”運用的定位技術是GPS的有力補充。“我們正同一家汽車制造商合作，將我們的‘天文羅盤’裝到無人駕駛車輛上。”維奧萊說，未來還需探索如何在夜間及更長距離下使用這種技術。